Arsenic: từ chuyển hóa cổ xưa đến chất độc công nghiệp

Arsenic không chờ đến thời đại thuốc độc mới xuất hiện. Nguyên tố này đã thoát ra từ núi lửa, các khe nứt của vỏ Trái Đất và miệng phun dưới biển sâu, rồi tham gia vào quá trình chuyển hóa của một số vi sinh vật sống trong môi trường thiếu oxy. Điều đáng chú ý không phải arsenic đã đổi từ “tốt” thành “xấu”, mà là dạng hóa học, sinh vật tiếp xúc và con đường phát tán của nó đã thay đổi. [1]

Vì thế, lịch sử arsenic có hai lớp đan vào nhau. Địa chất đưa nó vào đá, quặng, trầm tích và nước ngầm. Con người sau đó đào quặng lên, nung luyện, thu gom phụ phẩm và phân phối arsenic dưới dạng hóa chất nông nghiệp. Quá trình ấy không chỉ làm nguyên tố này di chuyển nhanh hơn mà còn quyết định những cộng đồng nào phải tiếp xúc trực tiếp với nó. [1]

Arsenic từng giúp sự sống tồn tại thế nào?

Trong giai đoạn Trái Đất còn rất ít oxy, arsenic kết hợp với lưu huỳnh, sắt và các kim loại khác. Một số vi sinh vật cổ tiến hóa những con đường sinh địa hóa cho phép chúng sử dụng các hợp chất arsenic trong quá trình trao đổi chất. Cách nói chúng “thở” arsenic là lối diễn đạt rút gọn: arsenic tham gia vào chuỗi phản ứng giúp tế bào thu nhận và chuyển giao năng lượng, chứ sinh vật không hít nguyên tố này như động vật hít không khí. [1]

Khả năng đó không có nghĩa arsenic là dưỡng chất cho mọi sự sống. Một nguyên tố có thể tham gia chuyển hóa ở loài này nhưng gây rối loạn nghiêm trọng ở loài khác. Ngay trong cùng một nguyên tố, trạng thái oxy hóa khác nhau cũng dẫn đến tính linh động và tác động sinh học khác nhau. Câu chuyện của arsenic vì vậy bắt đầu bằng sự thích nghi rất chuyên biệt, không phải bằng một vai trò có lợi phổ quát. [1]

Oxy đã làm thay đổi vai trò ấy ra sao?

Khoảng hai tỷ năm trước, vi khuẩn lam góp phần làm lượng oxy trong khí quyển tăng mạnh trong sự kiện Đại Oxy hóa. Trong môi trường mới, arsenic bị oxy hóa thành những dạng như arsenate, dễ đi vào các chu trình sinh học hơn và độc với phần lớn sinh vật. Sự sống phải đối mặt với một vấn đề mới: chất từng hiện diện trong những con đường chuyển hóa yếm khí nay có thể xâm nhập tế bào theo cách gây hại. [1]

Áp lực đó góp phần làm các cơ chế nhận biết, loại bỏ hoặc chống chịu arsenic lan rộng trong cây sự sống. Vi khuẩn lam, nấm, thực vật và động vật không phản ứng giống hệt nhau, nhưng đều có những cách hạn chế tác hại của nguyên tố này. Arsenic do đó nối hai chặng tiến hóa trái ngược: nó từng hỗ trợ một số sinh vật trong điều kiện thiếu oxy, rồi trở thành tác nhân mà nhiều sinh vật phải phòng vệ khi môi trường giàu oxy hơn. [1]

Vì sao châu Mỹ có những vùng nhiễm arsenic tự nhiên?

Dọc vành đai núi lửa quanh Thái Bình Dương, hoạt động magma kéo dài hàng triệu năm đã tạo ra các vùng quặng chứa arsenic, từ phía tây Canada và Hoa Kỳ xuống Mỹ Latinh. Phong hóa và xói mòn có thể giải phóng arsenic khỏi đá, đưa nó vào lưu vực sông, trầm tích và tầng chứa nước. Đây là con đường tự nhiên, tồn tại từ lâu trước khi có mỏ công nghiệp hay thuốc trừ sâu. [1]

Các thi thể ướp xác tại Chile cho thấy cư dân trong khu vực đã chịu phơi nhiễm arsenic mạn tính từ ít nhất khoảng 7.000 năm trước. Dấu vết này xác nhận địa chất tự nó đã có thể tạo ra nguy cơ sức khỏe. Tuy nhiên, nó không giải thích toàn bộ bản đồ ô nhiễm về sau: khai khoáng, luyện kim và nông nghiệp đã mở thêm những tuyến phát tán không còn phụ thuộc đơn thuần vào dòng nước hay sự phong hóa tự nhiên. [1]

Khai khoáng biến phụ phẩm thành hàng hóa bằng cách nào?

Arsenic thường đi lên cùng quặng bạc, vàng và các kim loại khác. Trong lò luyện, việc tách kim loại khỏi đá cũng loại ra arsenic và lưu huỳnh. Khi bị thải vào không khí hoặc nước, các phụ phẩm này có thể gây hại cho cây trồng, vật nuôi và cư dân quanh mỏ. Năm 1902, ít nhất 30 người tại Mapimí, bang Durango của Mexico, thiệt mạng và hàng trăm người bị ngộ độc sau khi arsenic từ một lò luyện rò vào nguồn nước thị trấn. [1]

Ban đầu, giới khai mỏ xem arsenic là gánh nặng vì quặng chứa nhiều arsenic bị giảm giá trị và tốn thêm chi phí xử lý. Vị thế ấy thay đổi khi các lò luyện thu gom arsenic để bán cho ngành hóa chất. Nhu cầu liên quan đến khí độc và chất nổ trong Thế chiến thứ nhất làm giá arsenic tăng; sau chiến tranh, các công ty sử dụng nó ngày càng nhiều để sản xuất thuốc diệt côn trùng. Nông nghiệp nhờ đó trở thành đầu ra cho một phụ phẩm công nghiệp vốn khó xử lý. [1]

Vì sao arsenic tập trung trên các đồng bông?

Các thuốc diệt côn trùng như calcium arsenate và lead arsenate phải được côn trùng ăn và tiêu hóa mới phát huy tác dụng; chúng không hiệu quả với mọi loài gây hại. Tiếp xúc với arsenic cũng có thể làm tổn thương mô thực vật. Cây bông lại không phải cây lương thực, còn vỏ quả bao quanh phần sợi đang phát triển. Những đặc điểm này khiến bông được quảng bá như một cây trồng phù hợp với thuốc chứa arsenic hơn các loại cây mỏng manh. [1]

Khi bọ vòi voi hại bông (boll weevil) gây thiệt hại lớn cho ngành bông Hoa Kỳ vào đầu thập niên 1920, việc sử dụng arsenate tăng nhanh. Người trực tiếp rải hoặc phun hóa chất trên các đồn điền miền Nam phần lớn là lao động da đen sống trong điều kiện bị gạt ra bên lề. Trong một cuộc trình diễn của công ty hóa chất, 72 tá điền và nông dân thuê đất da đen phải tuân theo mệnh lệnh về giống bông, phân bón, thời điểm gieo và cách dùng arsenate. Năng suất trở thành lý do để tăng giám sát, trong khi nguy cơ tiếp xúc dồn vào người làm đồng. [1]

Arsenic về sau mất vị trí thống trị trong ngành thuốc diệt côn trùng, nhưng phần đã phát tán có thể lưu lại trong đất và nước qua nhiều thế hệ. Một số hợp chất của nó còn được dùng làm chất bảo quản gỗ hoặc thuốc diệt cỏ. Bởi vậy, ranh giới đáng chú ý không chỉ nằm giữa chất “tự nhiên” và chất “nhân tạo”, mà giữa arsenic còn nằm trong đá với arsenic đã được đào lên, tinh chế, vận chuyển và rải lặp lại. Bản đồ phơi nhiễm hiện đại mang dấu vết của cả địa chất lẫn những quyết định kinh tế và xã hội. [1]